CN109365410B - 一种实现高效激光清洗的加工头装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

一种实现高效激光清洗的加工头装置及清洗方法，在激光清洗过程中，通过对清洗区域噪声强度与发光强度的变化进行监测，实现对清洗状态的监测与控制，依据两个变量的变化情况，掌握清洗进度，避免反复、过度清洗，提高加工效率，提升加工效果。

Description

一种实现高效激光清洗的加工头装置及清洗方法

技术领域

本发明涉及一种实现高效激光清洗的加工头装置及清洗方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

激光清洗是一种新兴的表面清洗技术，它利用高能量激光束照射待清洗工件表面，使工件表面的污物、锈层或涂层发生瞬间蒸发、气化或剥离，快速有效地清除对象表面附着物或涂层，从而达到清洁工件表面的目的。相比传统的清洗技术，如化学清洗、机械刷磨、流体颗粒冲刷、超声波清洗等，激光清洗不需要清洁液或其它化学溶液，无耗材、无污染，清除污物的范围和适用的基材范围也相对广泛，清洗的过程不损伤基材表面，具备清洗效果好、控制精度高、应用范围广、运行成本低、不污染环境等优点。

国外的激光清洗应用范围广泛，从厚锈层到抛光表面微细颗粒都可以去除，涉及到航空航天、轨道交通、机械工业、微电子工业与艺术品保护等领域，激光清洗的设备发展迅速、种类较多。我国激光清洗技术的研究和设备的开发起步晚，成熟的激光清洗设备并不多，大部分还处于实验室研究阶段，其清洗效率和效果有待进一步的提高。

目前，激光清洗技术与设备的研究、发展迅速，对激光清洗加工头装置的设计、开发也越来越多，但有关清洗状态在线监测与控制的激光加工装置及方法鲜见报导。然而，在激光清洗过程中，待清洗工件表面的反复清洗容易导致基底的损伤，同时造成能量浪费、加工效率降低，并导致更多的热量传至基体使热影响变大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种实现高效激光清洗的加工头装置及清洗方法，在激光清洗过程中，通过对清洗区域噪声强度与发光强度的变化进行监测，实现对清洗状态的监测与控制，依据两个变量的变化情况，掌握清洗进度，避免反复、过度清洗，提高加工效率，提升加工效果。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种实现高效激光清洗的加工头装置，包括激光源、系统控制模块、光束整形模块、光束扫描模块、反射镜、光强传感器、噪声传感器；

所述激光源用于发射激光束，所述光束整形模块用于对激光源发射出的激光束进行整形，所述光束扫描模块用于控制光束整形模块整形后的激光束的焦点位置，通过光束扫描模块的激光束经过所述反射镜反射后输出用于清洗；

所述光强传感器用于探测被清洗区域的发光强度，所述噪声传感器用于探测被清洗区域的噪声强度；系统控制模块通过光强阈值与光强传感器输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括光强阈值设定旋钮、噪声阈值设定旋钮；所述光强阈值设定旋钮用于设定光强阈值，所述噪声阈值设定旋钮用于设定噪声阈值。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括显示屏幕，所述显示屏幕用于显示光强阈值设定旋钮设定的光强阈值和噪声阈值设定旋钮设定的噪声阈值。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括可调角度遮板a、可调角度遮板b；所述可调角度遮板a用于减小工作环境对被清洗区域光强信号的影响；所述可调角度遮板b用于减小工作环境对被清洗区域噪声信号的影响。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括报警灯，当所述系统控制模块判断被清洗区域已经清洗完毕时，系统控制模块控制报警灯指示清洗完毕。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括报警模式切换开关，所述报警模式切换开关能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，系统控制模块根据光强阈值与光强传感器输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，系统控制模块根据噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，系统控制模块根据光强阈值与光强传感器输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，还包括机壳、光强阈值设定旋钮、噪声阈值设定旋钮、报警模式切换开关、报警灯、可调角度遮板a、可调角度遮板b；

所述光强阈值设定旋钮、噪声阈值设定旋钮、报警模式切换开关、报警灯、光强传感器、噪声传感器、可调角度遮板a、可调角度遮板b均安装在机壳的表面；所述系统控制模块、光束整形模块、光束扫描模块、反射镜均安装在机壳内。

上述实现高效激光清洗的加工头装置，所述机壳设有激光入射窗口、激光出射窗口；所述激光源输出的激光束由激光入射窗口进入机壳内，依次通过光束整形模块、光束扫描模块、反射镜后，从激光出射窗口射出。

一种实现高效激光清洗的清洗方法，包括如下步骤：

步骤一、将加工头装置固定，通过加工头装置的报警模式切换开关选定报警模式；

步骤二、开启加工头装置的激光源使加工头装置对被清洗区域进行清洗；加工头装置的光强传感器用于探测被清洗区域的发光强度，加工头装置的噪声传感器用于探测被清洗区域的噪声强度；加工头装置的系统控制模块通过光强阈值与光强传感器输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕；

步骤三、当加工头装置的系统控制模块判断被清洗区域清洗完毕后，关闭激光源，机械手臂上带动加工头装置移至下一待清洗区域或停止清洗。

上述实现高效激光清洗的清洗方法，所述步骤一中，所述报警模式切换开关能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，调节光强阈值设定旋钮设定光强阈值，系统控制模块根据光强阈值与光强传感器输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，调节噪声阈值设定旋钮设定噪声阈值，系统控制模块根据噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，调节光强阈值设定旋钮设定光强阈值且调节噪声阈值设定旋钮设定噪声阈值，系统控制模块根据光强阈值与光强传感器输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明能够实现对清洗状态的监测与控制，掌握清洗进度，避免反复、过度清洗，提高加工效率，提升加工效果；

(2)本发明通过可调角度遮板能够有效降低工作环境对在线监测准确度的影响；

(3)本发明设有多种工作模式，对于不同的工作模式，报警阈值可灵活设置，能够应用于多种环境和工况，使用范围广；

(4)本发明配合外部机械臂，能够实现自动化激光清洗，大幅提升了清洗效率。

附图说明

图1为本发明装置的结构组成示意图；

图2为本发明装置的结构组成侧视示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

激光清洗技术，清洗状态的在线监测与控制影响着激光清洗的效率与最终的清洗效果，也是激光清洗设备用户所关注的重点。通过技术调研与实验研究发现：激光清洗过程中，随着工件表面待清洗物的去除，清洗过程产生的噪声降低、清洗区域发光强度减弱。这是由于激光清洗是通过热振动、超声波爆裂、等离子体剥离等形式实现清洗的，随着污物的减少，相应的超声波、等离子体会减弱。利用激光清洗的这一特点，借助清洗区域噪声强度与发光强度的变化实现清洗状态的在线监测与控制。同时，考虑周边环境的影响，需要对监测对象进行合理规划与设定。

一种实现高效激光清洗的加工头装置，包括机壳1、光强阈值设定旋钮2、噪声阈值设定旋钮3、报警模式切换开关4、激光源5、报警灯7、系统控制模块8、光束整形模块9、光束扫描模块10、反射镜11、光强传感器13、噪声传感器15、可调角度遮板a14、可调角度遮板b16、显示屏幕18，如图1和图2所示。所述光强阈值设定旋钮2、噪声阈值设定旋钮3、报警模式切换开关4、报警灯7、光强传感器13、噪声传感器15、可调角度遮板a14、可调角度遮板b16、显示屏幕18均安装在机壳1的表面；所述系统控制模块8、光束整形模块9、光束扫描模块10、反射镜11均安装在机壳1内。所述机壳1设有激光入射窗口6、激光出射窗口12；所述激光源5输出的激光束由激光入射窗口6进入机壳1内，依次通过光束整形模块9、光束扫描模块10、反射镜11后，从激光出射窗口12射出。

所述光强阈值设定旋钮2用于设定光强阈值，所述噪声阈值设定旋钮3用于设定噪声阈值。所述显示屏幕18用于显示光强阈值设定旋钮2设定的光强阈值和噪声阈值设定旋钮3设定的噪声阈值。

所述报警模式切换开关4能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，系统控制模块8根据光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，系统控制模块8根据噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，系统控制模块8根据光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

所述激光源5用于发射激光束，所述光束整形模块9用于对激光源5发射出的激光束进行整形，所述光束扫描模块10用于控制光束整形模块9整形后的激光束的焦点位置，通过光束扫描模块10的激光束经过所述反射镜11反射后输出用于清洗。

所述光强传感器13用于探测被清洗区域的发光强度，可调角度遮板a14用于减小工作环境对被清洗区域光强信号的影响；所述噪声传感器15用于探测被清洗区域的噪声强度，可调角度遮板b16用于减小工作环境对被清洗区域噪声信号的影响；系统控制模块8通过光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕。当所述系统控制模块8判断被清洗区域已经清洗完毕时，系统控制模块8控制报警灯7指示清洗完毕。

一种实现高效激光清洗的清洗方法，包括如下步骤：

步骤一、将加工头装置固定，通过加工头装置的报警模式切换开关4选定报警模式；报警模式切换开关4能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，调节光强阈值设定旋钮2设定光强阈值，系统控制模块8根据光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，调节噪声阈值设定旋钮3设定噪声阈值，系统控制模块8根据噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，调节光强阈值设定旋钮2设定光强阈值且调节噪声阈值设定旋钮3设定噪声阈值，系统控制模块8根据光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

步骤二、开启加工头装置的激光源5使加工头装置对被清洗区域进行清洗；加工头装置的光强传感器13用于探测被清洗区域的发光强度，加工头装置的噪声传感器15用于探测被清洗区域的噪声强度；加工头装置的系统控制模块8通过光强阈值与光强传感器13输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器15输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕；

步骤三、当加工头装置的系统控制模块8判断被清洗区域清洗完毕后，关闭激光源5，机械手臂上带动加工头装置移至下一待清洗区域或停止清洗。

实施例：

一种实现高效激光清洗的加工头装置，包括机壳1、光强阈值设定旋钮2、噪声阈值设定旋钮3、报警模式切换开关4、激光源5、报警灯7、系统控制模块8、光束整形模块9、光束扫描模块10、反射镜11、光强传感器13、可调角度遮板a 14、噪声传感器15、可调角度遮板b16、监测开关17、显示屏幕18。其中机壳1上设有激光入射窗口6和激光出射窗口12。

光强阈值设定旋钮2用于设定满足报警条件的光强阈值；噪声阈值设定旋钮3用于设定满足报警条件的噪声阈值，设定结果在显示屏幕18上显示。报警模式切换开关4用来切换光强、噪声、光强+噪声三种报警模式，相应地，分别在光强、噪声、光强+噪声满足阈值条件时报警，切换结果在显示屏幕18上显示。报警灯7用于提示操作人员清洗区域是否已经完成清洗，不亮为未清洗完毕，闪亮为接近清洗完毕，常亮为清洗完毕。系统控制模块8用于控制激光清洗及清洗状态监测与反馈；光束整形模块9用于对激光束进行扩束等光束整形操作；光束扫描模块10包含扫描振镜、场镜等，用于控制激光束焦点位置。光强传感器13用于探测清洗区域发光强度；噪声传感器15用于探测清洗区域噪声强度；可调角度遮板a 14、可调角度遮板b 16依据激光束焦点位置进行调节，减小工作环境对清洗区域光强、噪声探测的影响。

一种实现高效激光清洗的清洗方法，包括如下步骤：

步骤1：操作人员手持激光清洗加工头装置或将激光清洗加工头装置固定于机械手臂上。

步骤2：开启监测开关17，通过报警模式切换开关4选择报警模式，即光强、噪声、光强+噪声三种报警模式，分别在光强、噪声、光强+噪声满足阈值条件时报警。

步骤3：调节光强阈值设定旋钮2与噪声阈值设定旋钮3用于设定满足报警条件的光强阈值、噪声阈值。

步骤4：开启激光发生器，激光束通过激光入射窗口6入射至光束整形模块9，经光束扫描模块10、反射镜11，由激光出射窗口12出射。

步骤5：将激光束聚焦至待清洗工件表面，进行清洗工作，通过光强传感器13、噪声传感器15探测清洗区域发光强度与噪声强度。

步骤6：随着清洗的进行，清洗区域的发光强度与噪声强度减弱，接近设定阈值时报警灯7闪亮，当达到设定阈值时，报警灯7常亮，关闭监测开关17，停止清洗工作或移至下一待清洗区域。

其中，步骤2中光强、噪声、光强+噪声三种报警模式的选择，依据激光清洗加工头装置的工作环境与报警精度要求，例如工作环境有强光干扰，可选定噪声报警模式；有较大噪音干扰，选择光强报警模式；对报警精度要求高，可选择光强+噪声共同报警模式，具体视实际情况而定。

步骤3中报警光强阈值与报警噪声阈值的设定，依据清洗工作前的清洗实验研究，针对不同的清洗对象会有改变。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：包括激光源(5)、系统控制模块(8)、光束整形模块(9)、光束扫描模块(10)、反射镜(11)、光强传感器(13)、噪声传感器(15)；

所述激光源(5)用于发射激光束，所述光束整形模块(9)用于对激光源(5)发射出的激光束进行整形，所述光束扫描模块(10)用于控制光束整形模块(9)整形后的激光束的焦点位置，通过光束扫描模块(10)的激光束经过所述反射镜(11)反射后输出用于清洗；

所述光强传感器(13)用于探测被清洗区域的发光强度，所述噪声传感器(15)用于探测被清洗区域的噪声强度；系统控制模块(8)通过光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕；

所述实现高效激光清洗的加工头装置还包括可调角度遮板a(14)、可调角度遮板b(16)；所述可调角度遮板a(14)用于减小工作环境对被清洗区域光强信号的影响；所述可调角度遮板b(16)用于减小工作环境对被清洗区域噪声信号的影响。

2.根据权利要求1所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：还包括光强阈值设定旋钮(2)、噪声阈值设定旋钮(3)；所述光强阈值设定旋钮(2)用于设定光强阈值，所述噪声阈值设定旋钮(3)用于设定噪声阈值。

3.根据权利要求1所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：还包括显示屏幕(18)，所述显示屏幕(18)用于显示光强阈值设定旋钮(2)设定的光强阈值和噪声阈值设定旋钮(3)设定的噪声阈值。

4.根据权利要求1所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：还包括报警灯(7)，当所述系统控制模块(8)判断被清洗区域已经清洗完毕时，系统控制模块(8)控制报警灯(7)指示清洗完毕。

5.根据权利要求1所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：还包括报警模式切换开关(4)，所述报警模式切换开关(4)能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，系统控制模块(8)根据光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，系统控制模块(8)根据噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，系统控制模块(8)根据光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

6.根据权利要求1所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：还包括机壳(1)、光强阈值设定旋钮(2)、噪声阈值设定旋钮(3)、报警模式切换开关(4)、报警灯(7)、可调角度遮板a(14)、可调角度遮板b(16)；

所述光强阈值设定旋钮(2)、噪声阈值设定旋钮(3)、报警模式切换开关(4)、报警灯(7)、光强传感器(13)、噪声传感器(15)、可调角度遮板a(14)、可调角度遮板b(16)均安装在机壳(1)的表面；所述系统控制模块(8)、光束整形模块(9)、光束扫描模块(10)、反射镜(11)均安装在机壳(1)内。

7.根据权利要求6所述的一种实现高效激光清洗的加工头装置，其特征在于：所述机壳(1)设有激光入射窗口(6)、激光出射窗口(12)；所述激光源(5)输出的激光束由激光入射窗口(6)进入机壳(1)内，依次通过光束整形模块(9)、光束扫描模块(10)、反射镜(11)后，从激光出射窗口(12)射出。

8.一种实现高效激光清洗的清洗方法，其特征在于：采用权利要求1所述的实现高效激光清洗的加工头装置，包括如下步骤：

步骤一、将加工头装置固定，通过加工头装置的报警模式切换开关(4)选定报警模式；

步骤二、开启加工头装置的激光源(5)使加工头装置对被清洗区域进行清洗；加工头装置的光强传感器(13)用于探测被清洗区域的发光强度，加工头装置的噪声传感器(15)用于探测被清洗区域的噪声强度；加工头装置的系统控制模块(8)通过光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，和或，噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号判断被清洗区域是否清洗完毕；

步骤三、当加工头装置的系统控制模块(8)判断被清洗区域清洗完毕后，关闭激光源(5)，机械手臂上带动加工头装置移至下一待清洗区域或停止清洗。

9.根据权利要求8所述的一种实现高效激光清洗的清洗方法，其特征在于：所述步骤一中，所述报警模式切换开关(4)能够设定光强、噪声、光强与噪声三种模式，当设定为光强模式时，调节加工头装置的光强阈值设定旋钮(2)设定光强阈值，系统控制模块(8)根据光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为噪声模式时，调节加工头装置的噪声阈值设定旋钮(3)设定噪声阈值，系统控制模块(8)根据噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕；当设定为光强与噪声模式时，调节加工头装置的光强阈值设定旋钮(2)设定光强阈值且调节加工头装置的噪声阈值设定旋钮(3)设定噪声阈值，系统控制模块(8)根据光强阈值与光强传感器(13)输出的光强信号，和，噪声阈值与噪声传感器(15)输出的噪声信号，判断被清洗区域是否清洗完毕。

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